Elektroluminiscenčné diódy (LED) čoraz častejšie nahrádzajú klasické svietidlá so žiarovkami, halogénmi či neónovými výbojkami. LED diódy sa často využívajú v systémoch osvetlenia, v ktorých sa využíva široká škála bielych diód. Stále častejšie sa však používajú farebné diódy, najmä pri osvetľovaní interiérov, pretože vytvárajú zaujímavé estetické efekty. Najpokročilejším riešením tohto typu sú RGB diódy, ktorých farbu je možné plynule ovládať a dosiahnuť prakticky každý odtieň viditeľného farebného svetla.
Elektroluminiscenčná dióda (LED) je polovodičovým svetelným zdrojom, ktorý emituje svetlo, keď cez ňu prechádza elektrický prúd. Elektróny v polovodiči rekombinujú s elektrónovými dierami uvoľňujúc tak energiu v podobe fotónov. Farba emitovaného svetla zodpovedá energii emitovaných fotónov. Tá závisí od energie, ktorá je potrebná na prechod elektrónov cez PN prechod. Toto „pásmo“ sa niekedy nazýva energetická medzera a je veľmi dôležitým parametrom každého polovodiča.
PN prechod je oblasť v polovodiči, v ktorej sa mení typ vodivosti P na N. Fungujúci PN priechod nemôže vzniknúť iba spojením (priložením) polovodiča typu P a typu N. PN sa vytvára v jednom monokryštály polovodiča rôznymi technologickými operáciami.
PN prechod je rozhraní polovodiče typu P a polovodiče typu N. PN prechod je vytvořen difuzí materiálu typu P do materiálu typu N. Materiál typu P potom pronikne rovnoměrně do materiálu typu N. V příměsovém polovodiči typu N je přebytek valenčních elektronů, v polovodiči typu P je přebytek kladných děr. Při spojení těchto polovodičů zaniknou rekombinací elektronu s kladnou dírou na rozhraní volné nosiče nábojů v oblasti určité šířky. Tato oblast se nazývá depletiční (vyprázdněná) oblast. Zbylé nepohyblivé ionty zapříčiní vznik elektrického pole na přechodu PN.
Jestliže sa kladný (Pozitivní) pól zdroje pripojí k polovodiču typu P a záporný (Negativní) pól k polovodiču typu N, dojde k zoslabeniu elektrického pola na PN prechode (ak je priložené napätie menšie ako Difúzne napätie), prípadne k jeho úplnému zrušeniu (ak je priložené napätie väčšie ako Difúzne napätie), takže nosiče nábojov môžu cez rozhranie (hradlovú vrstvu - vyprázdnená oblasť, v ktorej nie sú žiadni nositelia náboja a jej hrúbka sa pohybuje od asi 10−6 m až do 5×10−6 m) voľne prechádzať. Toto je tzv. priepustný smer.
Jestliže sa kladný pól zdroja pripojí k polovodiču typu N a záporný pól k polovodiču typu P, dôjde k rozšíreniu vyprázdnenej oblasti a zosilneniu elektrického pola na PN prechode, takže prechod nosičov nábojov cez rozhranie sa sťaží. Toto je tzv. záverný smer.
Priepustný smer: Ak na polovodič typu P je zapojený kladný pól zdroja a polovodič typu N je pripojený na záporný pól zdroja, cez PN prechod prechádzajú majoritné nosiče náboja.
Záverný smer: Ak na polovodič typu P je pripojený záporný pól zdroja a na polovodič typu N kladný pól zdroja, cez PN prechod prechádzajú minoritné nosiče náboja a spôsobujú veľmi malý prúd (takmer nemerateľný) tzv. zvyškový prúd.
V bezprostrednej blízkosti prechodu PN sa majoritní nosiče (elektrony v polovodiči typu N a diery v polovodiči typu P) difúzne pohybujú smerom k rozhraniu. V dôsledku toho sa na rozhraní hromadia nepohyblivé ióny, ktoré vytvárajú elektrické pole. Toto pole pôsobí proti ďalšej difúzii majoritných nosičov a vytvára tzv. potenciálovú bariéru.
V priepustnom smere vonkajšie napätie znižuje túto potenciálovú bariéru, čo umožňuje prúdenie majoritných nosičov cez prechod. V závernom smere vonkajšie napätie bariéru zvyšuje, čím sa tok majoritných nosičov prakticky zastaví. Prúd, ktorý preteká v závernom smere, je spôsobený minoritnými nosičmi náboja, ktorých koncentrácia je veľmi nízka a je silne závislá od teploty.
LED diódy sa na trhu objavili ako komerčne dostupné elektronické súčiastky v roku 1962. Prvé z nich emitovali infračervené svetlo nízkej intenzity. LED diódy pre infračervené svetlo sa používajú hlavne v obvodoch so vzdialeným ovládaním, napr. v domácej elektronike. Prvé výrobky vo viditeľnej oblasti spektra boli malej intenzity a obmedzené iba na červenú farbu. Moderné LED diódy sú dostupné v rozsahu vlnovej dĺžky viditeľného, ultrafialového a infračerveného svetla. Vyznačujú sa vysokou účinnosťou emisie, vďaka čomu energeticky úsporným spôsobom produkujú veľa svetla.
Takéto moderné produkty sa vyrábajú z polovodičových materiálov rôzneho druhu v závislosti od farby. V súčasnosti sa červené LED diódy vyrábajú použitím hliník-indium-gálium-fosfidu (AlInGaP), vďaka čomu sú účinnejšie ako súčiastky z GaP či AlGaAs. Modré a zelené LED diódy sa vyrábajú predovšetkým z nitridu gália a indium-gálium-nitridu (GaN a InGaN). Množstvo india určuje farbu - čím viac india, tým väčšia vlnová dĺžka svetla.
RGB je aditívny model farieb, v ktorom sa červené (Red), zelené (Green) a modré (Blue) svetlo spája rôznymi spôsobmi pre vytvorenie širokej škály farieb. Hlavným použitím farebného modelu RGB je určovanie, reprezentovanie a zobrazovanie obrazov v elektronických systémoch ako televízory a počítače. Využíva sa aj v analógovej fotografii a v súčasnosti stále častejšie v systémoch osvetlenia. Miešanie červeného, zeleného a modrého svetla z LED zdrojov s cieľom vytvoriť farebné svetlo si vyžaduje dedikované elektronické systémy na kontrolu procesu miešania. Keďže rôzne LED diódy majú mierne odlišné emisné schémy, rovnováha farieb sa môže meniť v závislosti od zorného uhla, dokonca aj vtedy, ak sú zdroje RGB v tej istej stavbe. Vzhľadom na to sa RGB na vytvorenie bieleho svetla využíva len zriedkavo, ale často sa používa na získanie iných farieb.
Viacfarebné LED diódy ponúkajú nový spôsob produkcie svetla rôznych farieb. Väčšinu dostupných farieb možno vytvoriť zmiešaním rôzneho množstva troch základných farieb: červenej, zelenej a modrej. Takto je možné presne a dynamicky kontrolovať získavanú farbu. Problémom, spojeným s používaním RGB diód pri presnom získavaní farieb v osvetľovacích systémoch, je, že so zmenou teploty sa mení energetická medzera polovodiča použitého na konštrukciu súčiastky. Zmena energetickej medzery je spojená so zmenou farby svietenia jednotlivých diód - červenej, zelenej a modrej - v štruktúre RGB.
Jas elektroluminiscenčnej diódy závisí od prúdu, ktorý cez ňu prechádza, a ktorý je možné regulovať rôznymi spôsobmi. Prúdový zdroj je elektronický obvod, ktorý dodáva alebo pohlcuje elektrický prúd nezávislý od jeho napätia. Existujú dva typy prúdových zdrojov. Nezávislý zdroj zabezpečuje konštantný prúd. Závislý zdroj dodáva postupne prúd, ktorý je úmerný k určitému napätiu alebo prúdu v obvode. Na ovládanie LED diód je, samozrejme, potrebný závislý zdroj.
Väčšina reálnych prúdových zdrojov využíva súčiastku s kontrolou rezistancie (odporu) (napr. tranzistor MOSFET). Chybou riešenia so stratovou súčiastkou, ktorá vynucuje tok, je nízka energetická efektívnosť. Pokles napätia na kontrolnej súčiastke môže byť dosť vysoký, predovšetkým pre malé nastavené prúdy. Navyše také riadenie, ktoré potrebuje analógový vstup - napr. PWM, čiže impulzová šírková modulácia, je metóda znižovania priemerného zaťaženia dodávaného elektrickým signálom prostredníctvom delenia tohto signálu na samostatné časti, keď je zapnutý alebo vypnutý (bez akýchkoľvek prechodových stavov - ako v pravouhlom priebehu).
Priemerná hodnota napätia (a prúdu) dodávaná do zaťaženia je kontrolovaná rýchlym zapínaním a vypínaním určeného druhu kľúča medzi napájaním a výkonom. PWM modulácia sa osvedčuje predovšetkým v chode s relatívne zotrvačnými zaťaženia, takými ako motory, ktoré nie je diskrétnym prepínaním tak ľahko ovplyvniteľné. Z dôvodu zotrvačnosti preto reagujú pomalšie. Frekvencia prepínania PWM musí byť dostatočne vysoká, aby nemala vplyv na zaťaženie.
Rýchlosť (alebo frekvencia), pri ktorej musí kľúč prepínať zaťaženie, sa môže výrazne líšiť v závislosti od zaťaženia a použitia systému. V prípade LED diód optimálna frekvencia závisí od konkrétnej aplikácie. Horná hranica frekvencie je rýchlosť prepínania LED diódy. Čas prepínania štandardnej LED diódy je niekoľko sto až niekoľko tisíc nanosekúnd, čo sa prepočítava na frekvenciu prepínania od niekoľko sto kilohertzov do niekoľko megahertzov. Na druhej strane minimálna frekvencia prepípania je definovaná zotrvačnosťou ľudského zraku.
Hlavnou výhodou využívania PWM modulácie je to, že úbytky výkonu v prepínacích zariadeniach sú veľmi malé. Ak je prepínač vypnutý, prúd prakticky netečie, a keď je kľúč zapnutý, pokles napätia na ňom je zanedbateľný. Úbytky výkonu, ktoré sú súčinom poklesu napätia a pretekajúceho prúdu, sú potom v oboch prípadoch malé.
Návrh regulátora stmievania LED diód - Elektronické inžinierstvo - pulzná šírková modulácia
LED pás je elastická tlačená doštička, na ktorú sú privarené elektroluminiscenčné diódy pre povrchovú montáž (SMD diódy) a iné súčiastky nevyhnutné pre činnosť diód. LED pásy boli v minulosti používané výlučne ako akcentované osvetlenie, podsvietenie, smerové a dekoračné osvetlenie. Ďalšie LED pásy často využívané na osvetlenie sa vyskytujú vo verzii s viacfarebnými diódami: RGB, RGBW. Druhý z týchto pásov obsahuje ďalšiu, bielu (White) diódu, ktorá zaisťuje kvalitatívne dobré biele svetlo.
Ich ovládanie pomocou externých ovládačov by bolo komplikované vzhľadom na veľký počet potrebných pinov pre ovládanie dlhšieho pásu. Väčšina RGB LED pásov je skonštruovaná s využitím klasických RGB LED diód so štyrmi pinmi - spoločná anóda alebo katóda a jednotlivé piny pre každú z farieb. Vodiče nemôžme pripájať priamo na napájanie, keď je potrebný ovládač, vďaka ktorému môžeme ľahko meniť farbu. Okrem toho, že takéto riešenie umožňuje ovládať farbu - pričom treba mať na pamäti, že celý pás emituje tú istú farbu, čo môže limitovať flexibilitu použitia.
V poslednom čase sa stále väčšej popularite teší riešenie, v ktorom sa okrem RGB LED diód na páse nachádzajú aj pre nich integrované ovládače, napr. Treba tiež doplniť, že klasické RGB LED pásy sa ovládajú inak ako tie s ovládačmi. Vyplýva to najmä z toho, že pri zabudovaných integrovaných ovládačoch sa mení konštrukcia - na ovládanie sa používa iba jedna linka (DATA) a nie tri samostatné pre každú farbu.
Pásy s usporiadaním z tejto skupiny nazývame zvyčajne programovateľné alebo inteligentné, keď samotný ovládač má formu integrovaného usporiadania, určeného na ovládanie LED diód. Obsahuje vnútorný číslicový latch dát zo vstupného portu, vlastnú individuálnu adresu, ale aj obvod kontroléra výkonu. Má tiež presný vnútorný oscilátor a stabilizátor napätia 12V pre LED diódy. S cieľom znížiť vibrácie v systéme sú jednotlivé PWM kanály ovládané s posunom fázy.
V NZR systéme sú obvody z rodiny WS28xx navzájom zapojené sériovo. Pin DIN je vstup údajov, a DO výstup. Údaje sú zapísané na pin DIN prvého ovládača v reťazci. Jeho DO je pripojené k DIN nasledujúceho atď. Po reštartovaní čipu linka DIN preberá údaje z kontroléra. Prvý digitálny obvod zbiera prvých 24 bitov údajov (trikrát po 8 bitov pre tri farby), a následne ich posiela do vnútorného latchu dát. Údaje na DO výstupe sú zhromažďované zabudovanými digitálnymi obvodmi, preto do ďalšieho ovládača prichádza vysokokvalitný priebeh. V momente zaistenia údajov ovládačom, systém produkuje príslušné signály riadiace PWM na OUTR, OUTG a OUTB výstupoch, ktoré ovládajú červené, zelenú a modrú diódu v štruktúre pásu. Vďaka možnosti adresovania obvodov z rodiny WS28xx existuje možnosť individuálneho nastavenia farby a jasnosti RGB diódy, čo výrazne rozširuje možnosti.
Je dôležité tiež spomenúť, že sú dostupné aj kompletné riešenia obsahujúce v jednej konštrukcii aj RGB LED štruktúry, ako aj štruktúru adresovateľného integrovaného ovládača, čo zjednodušuje aplikácie a znižuje výsledné náklady tohto riešenia. Na trhu je dostupných mnoho rôznych RGB LED pásov s integrovanými ovládačmi. Ide o pásy s rôznym výkonom a počtom diód, čo znamená aj rôznu úroveň jasu. RGB LED pásy môžu byť napájané konštantným napätím 5V, 12V alebo 24V. Výber konkrétneho pásu diktuje napájacie napätie dostupné v konkrétnom systéme. Napríklad pre mikrokontrolérový systém je dokonalým pás napájaný napätím 5V, a v priemyselnom systéme pás napájaný napätím 24V.
Pri výbere LED pásu pre priemyselné použitie treba zohľadňovať aj stupeň ochrany krytom. Štandardný RGB LED pás využíva obvod zložený z troch diód (červenej, zelenej a modrej). Môže vytvárať širokú škálu farieb miešaním uvedených troch farieb a dodávať svetlo takmer biele, ale dokonca aj pri rozsvietení všetkých troch diód na maximálny jas, je získaná farba ďaleko od ideálu. Aj keď samotné RGB diódy môžu dosiahnuť farbu približujúcu sa bielej, dedikovaná biela dióda zabezpečuje v štruktúre oveľa čistejší biely tón a umožňuje použiť dodatočný teplý alebo studený biely čip.
Polovodiče sú materiály, ktorých vodivosť sa nachádza medzi vodivosťou kovov a izolantov. Ich významnou vlastnosťou je zmena vodivosti pridaním cudzích látok, pričom na vedení prúdu sa podieľajú dva typy nosičov náboja - záporne nabité elektróny a kladne nabité diery.
Vlastné polovodiče, ako čistý kryštalický kremík (Si), sa pri veľmi nízkej teplote správajú ako izolanty, no s rastúcou teplotou sa elektróny uvoľňujú a môžu prenášať elektrický prúd. Polovodiče sa odlišujú od kovových vodičov a izolantov hlavne tým, že ich vodivosť sa mení v širokom rozmedzí vplyvom rôznych fyzikálnych veličín, ako je zmena teploty, svetla, tlaku a podobne. Pri veľmi nízkych teplotách (v okolí 0 K) sa polovodiče správajú ako izolanty. Na výrobu polovodičových súčiastok sa v súčasnosti používajú hlavne kremík (Si) a germánium (Ge).
Čistý polovodič má veľmi malú vodivosť, preto sa vo výrobnom procese do polovodičov pridávajú presne stanovené množstvá niektorých prvkov, ktoré majú značný vplyv na zvýšenie vodivosti polovodiča. Vo vlastnom polovodiči je rovnaký počet voľných elektrónov a dier. V prímesových polovodičoch prenáša elektrický prúd zväčša jeden typ nosičov náboja, ktorý je majoritný. Voľné nosiče s opačným nábojom sú zastúpené v značne menšom počte, sú minoritné.
Nevlastné polovodiče typu N (negatívny): Ak do mriežky vložíme atóm s 5 valenčnými elektrónmi (napr. fosfor), jeden elektrón zostane voľný. Prímesové atómy, ktoré vytvoria polovodič typu N sú donory.
Nevlastné polovodiče typu P (pozitívny): Ak do mriežky vložíme atóm s 3 valenčnými elektrónmi (napr. indium), vznikne diera bez voľného elektrónu.